Мюллер Юрген. Регулирование на основе SIMATIC

Подождите немного. Документ загружается.

7 Структуры регулирования

161

ваться для развязки входы DISV основного регулятора, специально предусмотренные для

подключения мешающего воздействия (см. Siemens Patent 199119595.1).

В книге “От процесса к регулированию” [1] в главе 11 на различных примерах очень

подробно рассмотрены система двух величин, механизмы развязки и теория развязывающих

фильтров.

Сегодня проблемы регулирования множества величин решаются специальными

программными инструментами, которые привязаны к системе управления процессом. Такие

связи в настоящее время поддержаны средствами Siemens:

Matlab является универсальным инструментом САЕ (computer-assisted education –програм-

мированного обучения) с очень богатой математической библиотекой. На основе Matlab/

Simulink-DDE-Client A&D SH 23, Нюрнберг, может быть построена в реальном времени

связь Simulink-моделей к общей управляющей системе с DDE-сервером. Из такой “открытой

системной платформы” может быть создан общий запас функций Matlab для процессного

регулирования. Подключения могут выполняться

• серийноспособными DDE-серверами к WinCC, а также к PCS 7,

• сервером Simatic Net OPC/DDE-Server к общей системе Simatic S7,

• сервером WinTM/Serv к системе управления процессом Teleperm M,

а также к различным системам управления процессом других изготовителей с помощью

DDE-сервера.

Регуляторы множества величин с предсказанием для очень больших систем от 5 до 10

связанных входных и выходных величин предлагаются некоторыми специализированными

фирмами в виде больших программных инструментов. Они могут быть подключены к

Simatic PCS7, например, через OPC-Server WinCC

7 Структуры регулирования

162

7.8.3 Регулирование с предсказанием на основе модели

Описанные до сих пор способы развязки при регулировании множества величин

ограничивались простыми случаями максимум от двух до четырех связанных управляющих

и регулируемых величин. Однако для многих случаев выяснилось, что автоматизацией

только на основе отдельных регуляторов невозможно исчерпать экономический потенциал

установки, например, технологического процесса.

Примеры:

• В стекольной промышленности, в печах и плавильнях, основная автоматизация часто

состоит только из регулирования потока горючего газа и воздуха, тогда как

важнейшая для производства температура жидкого стекла должна устанавливаться

вручную оператором установки.

• В химических реакторах часто регулируются только первичные условия реакции,

такие, как температура, давление и подача сырья, тогда как величины, определяющие

качество продукции, например, вязкость и плотность, измеряются только

периодически в лаборатории и не регулируются непосредственно.

• В дестилляционных колоннах часто регулируются только вспомогательные величины,

такие, как подвод нагревательного пара, уровень в конденсаторе и в отстойнике, тогда

как определяющие чистоту продукции температура в головке и в отстойнике трудно

регулировать из-за сильной их взаимосвязи.

В этих и подобных случаях требуется концепция автоматизации со следующими свойствами:

• Целостный взгляд на всю установку или основные части установки, например, на

химические реакторы, дестилляционные колонны.

• Учет всех связей в процессе.

• Действительное регулирование (“closed loop feedback” – с замкнутой цепью обратной

связи)” хозяйственно важных показателей качества, даже если они трудно и не всегда

непосредственно измеримы и только косвенно управляемы.

7 Структуры регулирования

163

• Максимально возможная гибкость структур регуляторов.

- Количество управляющих воздействий и регулируемых величин может быть очень

большим.

- непосредственное упорядочение, каким управляющим воздействием какая регу-

лируемая величина может управляться, установить трудно из-за сложности

функциональной структуры.

- Не гарантируется, что число регулируемых величин точно соответствует числу

управляющих воздействий.

- Число управляющих воздействий может изменяться в процессе эксплуатации, так

что система регулирования должна сама себя полностью автоматически

реконфигурировать.

• Управление комплексной динамикой процесса: продолжительные паузы,

неустойчивые участки или участки с неминимальнофазовой характеристикой.

• Динамическое подключение возмущающего воздействия, если возмущения

измеримы, но действуют на регулируемые величины с известной задержкой. Тогда

требуется, наряду с функцией передачи участка, точная модель передающей функции

возмущения, чтобы компенсировать действие этого возмущения.

• Точный учет ограничений управляющих и регулируемых величин для их

оптимизации. Это представляет особенный интерес, если оптимальная рабочая точка

установки оказывается на стыке различных ограничений, т. е. установка должна быть

выверена в пределах границ надежности.

• Различным целям регулирования должны быть установлены приоритеты в смысле

иерархии: надежность важнее качества, качество важнее экономии.

На практике для такой постановки задачи создавались методики регулирования с

предсказанием на основе модели, иногда в комбинации с так называемыми программными

сенсорами. Программный сенсор заменяет реальный сенсор программой. Он служит для

того, чтобы некоторые не измеримые непосредственно величины вычислять косвенно, из

других прямо измеряемых величин. Как способы замены могу применяться калмановские

фильтры или искусственные нейронные сети.

7 Структуры регулирования

164

Будущее (future)

с управлением

SP = 945

Будущее

без управления

Принцип функционирования регулятора с предсказанием можно объяснить по рис. 7.20

Рис. 7.20 Основанный на модели регулятор с предсказанием INCA.

CVs: Controlled Variables (регулируемые величины)

MVs: Manipulated Variables (управляющие воздействия)

DVs: Disturbance Variables (подключение возмущающего воздействия)

Регулятор наблюдает и показывает, как проходил процесс в прошлом. Так как регулятор

располагает полной моделью динамики процесса со всеми связями, то он может в некотором

интервале “смотреть в будущее”, т. е. предсказывать в некотором временном интервале, как

процесс пойдет дальше, если регулятор не будет управлять (“future without control” - будущее

без управления). Отсюда он

может перебирать (имитировать), как действуют различные

стратегии манипуляции процессом с помощью имеющихся управляющих величин: ”future

with control” – будущее с управлением. С помощью методов оптимизации выбирается

наилучшая стратегия. Стратегия, таким образом, подобна таковой в шахматном компьютере:

перебираются различные комбинации будущих ходов и оценивается их действие.

7 Структуры регулирования

165

Для формирования критерия оптимизации имеется очень много возможностей: наряду с

будущими отклонениями регулирования и издержками управления могут быть использованы

также ограничения для управляющих и регулируемых величин (как дополнительные условия

оптимизации), а также и другие производственные критерии. Задача оптимизации во всем

диапазоне предсказания решается в реальном времени при каждом шаге считывания, но

только первый элемент полученной последовательности управляющих воздействий

непосредственно вводится в процесс. На следующем шаге считывания диапазон (“горизонт”)

предсказания сдвигается вперед и снова проводится общая оптимизация (принцип

“скользящего горизонта”).

Siemens в кооперации с нидерландской фирмой IPCOS Technologies предлагает

базирующийся на модели регулятор с предсказанием INCA. Ясно, что для оптимизации в

реальном времени потребуется большая производительность вычислителя, так что регулятор

с предсказанием не может быть встроен в компоненты системы управления процессом (AS =

система автоматизации, т. е. процессор SIMATIC S7-400), а должен быть реализован на

отдельном компьютере. В большинстве случаев регулятор с предсказанием не включается

прямо в процесс, а задает уставку подчиненному PID-регулятору, т. е. он служит для

координации нескольких PID-регуляторов базовой автоматизации в смысле руководящей

оптимизации (“supervisory control”). Таким образом, речь идет о каскадном регулировании с

несколькими ведомыми PID-регуляторами и одном регуляторе нескольких величие с

предсказанием в качества ведущего регулятора.

Для быстрой и надежной интеграции INCA в SIMATIC PCS 7 (рис. 7.21) спроектированы

стандартные АРС-модули для AS с соответствующими экранами обслуживания для OS

(Operator Station - станция оператора - для WinCC). Они осуществляют различные

переключения видов работы и видов информации, контролируют внешние регуляторы с

предсказанием и управляют установкой в предписанном безопасном режиме, когда сигналы

не приходят от INCA (например, из-за проблем со связью или из-за отказа компьютера).

Важнейшие INCA-параметры (около 5 на каждую из величин – управляющее воздействие и

регулируемая величина) доступны оператору установки с OS, тогда как основная панель

обслуживания INCA с ее множеством параметров используется только экспертами INCA.

7 Структуры регулирования

166

Компьтер Место оператора

SIMATIC WinCC:

• Обслуживание и наблюдение

• платы Standard-Face и MPC

• ход процесса

Офисный

Ethernet

Комплект INCA

в реальном времени

• диспетчер

• сервер данных

• инструменты INCA Поколение 7, CFC:

• просмотр INCA базовое регулирование PID

элементы связи АРС

Распознавание,технология: • логика видов работы

• INCA test • функции

безопасности

• INCA modeler (Watchdog)

Расходы на проектирование панелей обслуживания, ориентированных на приложения, и

концепций соединения для регуляторов с предсказанием окупаются полностью.

Рис. 7.21

Интеграция базируемого на модели регулятора с предсказанием INCA в управляющую систему процесса

SIMATIC PCS (MPC:Model based Predirtive Control)

Даже при профессиональном программном обеспечении для ввода в действие комплексного

регулирования со множеством величин часто требуется дистанционное участие специалиста.

Такие услуги предлагаются фирмой A&D SH 15 (http://www.siemens.com/apc) в Карлсруэ и

Siemens Axiva во Франкфурте.

Инсталляция регулятора с предсказанием является очень большим проектом, который в

типичном случае проходит следующие фазы:

• Изучение концепции: На основе обсуждения на месте и первых тестов на установке

(например, при воздействиях скачка) оценивается реализуемость, а также техническая

и экономическая эффективность.

7 Структуры регулирования

167

• Инсталляция специального программного пакета и подключение к системе

управления процессом.

• Тестирование установки: Систематическое возбуждение динамики процесса и

измерение (архивирование) соответствующих откликов объекта регулирования.

Длявыбора стимулирующих сигналов используются результаты экспериментов со

скачками.

• Построение модели: Определение в режиме offline (автономно) динамической

модели процесса со множеством величин на основе запомненных измеренных

данных. При этом параметры линейной независимой от времени математической

модели процесса (например. дискретной во времени модели в пространстве

состояний, матрицы передаточной функции или непараметрической модели

импульсной реакции) согласовываются методами оптимизации с измеренными

данными. Таким образом, не требуется теоретическое построение модели на основе

физических и химических зависимостей, но соответствующие сведения иногда могут

использоваться.

• Проектирование регулятора. Существенная для регулятора информация уже

содержится в модели процесса. Глобальные параметры, как, например. диапазон

предсказания (насколько далеко смотрит регулятор в будущее?), уровень управления

(насколько сложной и длинной должна быть последовательность управляющего

воздействия?), а также расход энергии на управление (насколько ”дороже”

перемещения управляющего воздействия в сравнении с регулирующей разностью) –

это может быть определено с помощью простых формул. Точная отладка регулятора

выполняется на основе имитации с идентифицированной моделью.

• Приемочное тестирование: Перед первым вводом в действие обсуждаются с

персоналом характеристики регулятора на основе моделирования. Для успешной

приемки, наряду с доказательством нормального функционирования, должно

обеспечиваться:

- плавное переключение различных видов работы,

- скачкообразные переключения уставки,

- отрегулирование определенных искусственно вызванных возмущений, а также

- автоматическое переключение в режим безопасности.

7 Структуры регулирования

168

• Обычная работа, наблюдение и обеспечение: Решающим для приемки новой

концепции регулирования оператором установки является тщательная документация

и обучение. Регулятор с предсказанием может только столь долго функционировать,

пока поведение процесса соответствует математической модели. Подчиненные PID-

регуляторы должны быть также оптимизированы, чтобы избежать позднейших

изменений динамики процесса. При больших перестройках установки должна быть

определена новая модель процесса. Имеются различные приемлемые формы

совместной работы пользователя установки и исполнителя работы по технике

регулирования: иногда гарантируется, что, например, инвестиции окупятся в течение

года или же исполнитель принимает процентное участие в полученной выгоде.

8 Вызов программного регулятора в PLC

169

8 Вызов программного регулятора в PLC

8.1 Уровни временного прерывания и интервалы считывания

Все программные блоки, выполняющие регулирование, должны обрабатываться в

специально определенных равных временных интервалах. Пользователи регулирующих

функциональных модулей (аппаратных регуляторов) освобождены от установки этих

временных интервалов, так как эти модули (FM) работают всегда в реальном времени.

Установка интервалов считывания для модульно построенного программного регулирования

является важным моментом при проектировании. Неправильно установленные временные

характеристики или излишне нагружают рабочие ресурсы процессора, или же отрицательно

влияют на динамику регулирования и регулятор работает плохо.

8.2 Вызов в SIMATIC T.I.A

8.2.1 Деление частей программы на циклические и с прерыванием

Большинство программных регулирований и подчиненных им функциональных звеньев

выполнены так, что все динамические функциональные звенья (регулятор, импульсные

формирователи, диспетчеры, фильтры и т. д.) вызываются через строго равные интервалы

времени (эквидистантны). Временные интервалы задаются модулям в форме параметра

интервала считывания (CYCLЕ). Регулятор вызывается в так называемой области

прерываний. Эти прерывания (ОВ31, 32, 33…39) прерывают циклическую программу в

произвольных местах через определенные временные промежутки и после обработки

прерывания возвращают ее в место прерывания. Этим достигается высокая точность

временных характеристик динамических звеньев.

Недостатком такого метода является то, что так сформированные интервалы не позволяют

обработать достаточно много программ. При довольно большой загрузке появляется опас-

ность, что нормальная циклическая программа едва ли сможет работать или же управление

8 Вызов программного регулятора в PLC

170

остановится, поскольку прерывание будет пытаться прервать себя следующим прерыванием.

Чтобы этого избежать, должно быть выполнено разумное разделение частей программы ан

циклическую часть и на программные части прерывания. Программные части прерывание

должны быть распределены в соответствии с техническими требованиями процесса. В одном

регулирующем контуре могут участвовать на AS многие динамические функциональные

звенья, которые при необходимости могут включаться в различные уровни прерывания.

Указание: Значение устанавливаемого параметра прерывания (например, CYCLE или

SAMPLE_T) в каждом динамическом функциональном вызове должно согласовывать по

времени между собой идущую друг за другом пару функциональных вызовов. При это

недостаточно только применять временную базу прерывания (время ОВ), но следует

учитывать и имеющееся разделение временных тактов, или преобразование тактов.

8.2.2 Распределение временных тактов и интервалов считывания

функциональных звеньев

Проектировщик не может выполнить окончательную настройку интервала считывания

(CYCLE) без точного знания реакции объекта регулирования. Но при установке программы

должны быть введены все предварительное наладки.

В таблице 8.1 перечислены такие предварительные наладки, с помощью которых может

выполняться программное регулирование. При вводе в эксплуатацию эти значения должны

быть перепроверены и скорректированы. Как видно из этой таблицы, разные интервалы

считывания имеют не только различные задачи регулирования, но и различные функции

регулятора (например, широтно-импульсные модуляторы) могут иметь разные интервалы

считывания в различных регуляторах. Создание таких различных уровней прерывания

обычно выполняется с помощью распределителя временных тактов. Он вызывается через

самые малые временные тактовые интервалы, и все другие интервалы считывания должны

быть кратны этому самому малому (элементарному) интервалу. Задачей распределителя